近期，電智學院AiNET團隊劉新宇博士和周清峰教授在運動感知領域中探索研究取得階段性科研成果。相關論文成果發表在校定T類二級權威學術期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics（中科院1區）與B類期刊IEEE Signal Processing Letters（中科院2區）。

運動感知技術已被廣泛應用于軍事、農業、工業以及日常生活等各個領域，該技術也是數字孿生與VR/AR等新興應用的核心技術之一。不同于傳統應用，新興應用覆蓋場景更加多元，對運動感知系統的精度、能耗、可擴展性以及魯棒性等性能均提出了更高的要求。在諸多類别的運動感知系統中，基于慣性傳感器（陀螺儀與加速度計）的感知系統具有适應面廣、分辨率高、感知頻率快且功耗較低等特點，因此其被廣泛部署于手機、可穿戴設備、無人機以及車載導航等各類終端，具有較好的生态基礎。AiNET團隊緻力于為數字孿生等新興應用落地提供可參考雛形，分析當前的需求與瓶頸，在運動感知領域深入探索，取得了兩項階段性成果。

成果一：基于無角速度計算加速度計陣列的軌迹重建方法

軌迹重建是運動感知技術的主要研究方向之一。典型的主流方案中慣性軌迹重建系統同時搭載陀螺儀與加速度計，分别測量運動物體的角速度與加速度，再通過對角速度與加速度進行積分，可得到運動物體的姿态、速度以及軌迹點。為更适應低功耗場景，另一方案将相對功耗較高的陀螺儀替換為低功耗加速度計的陣列，利用加速度計陣列計算所需角速度，再進行後續軌迹重建。然而，該方案在降低功耗的同時卻引入了額外的角速度計算，導緻系統的累積誤差增大。

針對傳統方法存在的問題，本項工作創新性地提出了無角速度計算的加速度計陣列方案，在保證系統低功耗的同時，降低了系統的累積誤差。所提出的算法利用加速度計陣列内的空間幾何約束，構建軌迹重建優化問題對最優軌迹點進行求解。本項工作求得了該優化問題的閉式解，大大降低算法的計算複雜度。在實際二維場景的物理實驗中，與傳統的兩種方法相比，所提出的算法具有更高的軌迹重建精度、更低的功耗、更高的可擴展性以及更強的魯棒性。這些結果表明所提方案相比傳統方案更符合新興應用的需求，非常具有繼續深入研究的價值。圖1給出了本項工作的物理實驗平台，圖2給出了各方案的軌迹重建誤差對比，圖3給出了各方案的累積誤差對比。

圖1 無角速度計算加速度計陣列的物理實驗平台

圖2 各方案的軌迹重建誤差CDF圖

圖3 各方案的誤差累積對比圖

該項工作以學術論文的形式發表于校定T類二級權威學術期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics，論文信息為Liu X, Zhou Q, Wu J, et al. An ω-Free Accelerometer Array Method for 2-D Trajectory Reconstruction[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2024, 71(1): 890 - 900. (IF: 7.7, 中科院1區Top)

成果二：基于時間反演的軌迹校正

實際場景中加速度計與陀螺儀并不理想，測量存在誤差，而慣性軌迹重建方法中的積分運算對測量誤差有累積作用，這将導緻軌迹重建結果的可信度随時間降低，直至不可接受的程度。針對此問題，工程上一般假定誤差是線性增長，并基于此對軌迹進行後處理校正。事實上，誤差累積過程是更複雜的非線性過程，傳統方案中線性增長的假定比較粗糙，且沒有系統完整的理論分析。

軌迹後處理校正是提升軌迹重建精度的有效手段，但系統分析的研究較少。本項工作創新性地引入宏觀運動的時間反演對稱性，提出基于時間反演的軌迹校正算法。由于軌迹重建結果的可信度随時間降低，那麼針對同一段運動，在時間正演下進行計算，可信度将随時間正反向逐漸降低，在時間反演下進行計算，可信度将随時間負方向逐漸降低。此外，時間正反演下同一時刻物體運動的加速度與位置相同，而速度相反。基于這些條件，本項工作提出将時間正演軌迹重建的結果與時間反演軌迹重建的結果融合（圖4），實現整條時間軸上軌迹重建結果可信度的提升。相關理論推導已求得問題閉式解。在實際二維場景的物理實驗中，時間反演對軌迹精度的提升得到了驗證（圖5）。

圖4 時間正演與時間反演下軌迹重建的示意圖

圖5 時間反演軌迹校正算法各階段軌迹重建效果對比圖

該項工作以學術論文的形式發表于校定B類學術期刊IEEE Signal Processing Letters，論文信息為Liu X, Zhou Q, Cheng C T, et al. Time-Reversal-Based Correction Algorithms for ω-Free Trajectory Reconstruction Method[J]. IEEE Signal Processing Letters, 2024, 31: 676-680. (IF: 3.9, 中科院2區)

據了解AiNET團隊擁有豐富的産學研經驗，本文成果一中低功耗感知系統的相關工作即起源于以往劉新宇博士和周清峰教授團隊對可穿戴設備的研究。本文成果二中，劉新宇博士引入宏觀運動時間反演對稱性的想法源于幾年前觀看諾蘭科幻電影《信條（Tenet）》（圖6）後的啟發，電影中對時間正演與反演的描繪為該項工作提供了靈感，因此在發表的論文成果中也将電影中用于區分時間正反演的紅色與藍色（圖6）用于标記時間正反演下的軌迹重建（見圖4與圖5）。

圖6 電影《信條（Tenet）》海報與片中截圖

一審：鄧敏君 二審：李豔霞 三審：胡耀華